这是我2015年在38度论坛写的，现转贴过来
设计目标：用1/10B Pt传感器，达到精度等级0.1级，分辨率0.01度，测温范围150到-50摄氏度，1节锂电池作电源
硬件构架已设计完成。
楼下几位都想多了，构架上我采用恒流比例法测量，这样就不需要精密恒流源。现在的单片ADC真是集成度很高，内置了恒流源、PGA、缓冲器。一片高集成ADC+一片MCU+一片LDO+一些阻容就可以搞定了。从连线到外壳做好全套屏蔽
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
噪声分析，分辨率指标
选用TI家24位ADC，在20SPS速率下-3dB带宽只有13.1Hz，所以噪声电压很低
因为我设计用恒流比例法测量，测量Pt1000时就用不到内部基准电压。查ADC手册可知，内部基准噪声和REF5020这款基准差不多，所以以REF5020噪声指标估算扣除基准噪声后4倍超采样率2倍PGA时的折算ADC输入端噪声电压rms=√((噪声rms*Gain)^2-(REF5020（0.1Hz to 10Hz）噪声p-p/5.2)^2)/Gain≈1.428μV
对ADC采样端输入噪声电压=150摄氏度时Pt1000的热噪声电压≈22nV
常温下1个基准电阻热噪声电压≈25nV
两个基准电阻并联噪声电压=25nV/√2≈18nV
再两组基准电阻串联噪声电压=√(18nV^2*2)≈25nV
对ADC基准端输入噪声电压=基准电阻和Pt1000的串联=√(25nV^2+22nV^2)≈33nV
此款ADC在20SPS速率下数字滤波器有针对50Hz优化，衰减率至少90dB，加上不错的共模抑制比作用，通过Pt1000进来的50Hz感应噪声被抑制后可忽略不计。假设Pt1000感应到除50Hz外低频噪声p-p电压10mV，折算ADC输入端噪声电压=10mV/10^(CMRR/20)≈18nV
设电源波动不超过1%=电源*1%=28mV，折算ADC输入端噪声电压=电源波幅/(10^(PSRR/20))/Gain≈79nV
ADC失调温漂和增益温漂噪声暂不计算
折算总ADC输入噪声电压rms=√(1.428μV^2+22nV^2+33nV^2+18nV^2+79nV^2)/√超采样率≈715nV
折算总ADC输入噪声电压p-p=715nV*2*超限概率0.01%下波峰因子≈5.58μV
5.58μV<=Pt1000每0.01度变化的变动阻值*激励恒流电流，意味着99.99%的时间内屏显0.01度位不会跳动
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
误差分析，精度指标
此设计绝对误差项有：Pt传感器误差，基准电阻误差，INL，失调电流误差，修正CMRR后残余误差，修正自热温度后残余误差，修正热电动势后残余误差
注意，自热误差估计未考虑实际热阻等情况，误差范围估计可靠性不高
此设计系统误差由一个矩形分布大误差和几个其他小误差组成，所以合成误差不是正态分布，按普通RSS法合成得数会比较离谱。所以在此才用蒙特卡洛法计算合成极限误差，置信度取99.73%
先说0摄氏度时绝对误差：
Pt传感器误差=±0.03度，矩形分布
自热误差≈(-0.0155度,0.0095度)，修正后估计残余误差矩形分布
基准电阻误差≈±0.0171度，矩形分布
INL≈±0.0081度，正态分布（k=3），极限误差/k=±0.0081度/3=0.0027度
修正热电动势后残余误差≈±0.003度，正态分布（k=3），极限误差/k=±0.003度/3=0.001度
失调电流误差≈±0.0015度，三角分布
CMRR误差≈(-0.0059度,+0.0207度)，修正后估计残余误差呈0轴对数正态分布
0摄氏度时随机误差σ=(噪声电压rms/(0摄氏度时Pt1000每1度变化的变动阻值*激励恒流电流))≈±0.0007度
0摄氏度时合成总误差≈(-0.06,+0.05)度
0摄氏度时最差总误差=0.03+0.0095+0.0171+0.0081+0.003+0.0015+0.0207+(无闪烁噪声电压p-p/2/(Pt1000每1度变化的变动阻值*激励恒流电流))≈+0.10度
据计算得知此量程高温端绝对误差大于低温端
150摄氏度时绝对误差：
Pt传感器误差=±0.105度，矩形分布
自热误差≈(-0.0243度,0.015度)，修正后估计残余误差矩形分布
基准电阻误差≈±0.0323度，矩形分布
INL≈±0.0111度，正态分布（k=3），极限误差/k=±0.0111度/3≈0.0037度
修正热电动势后残余误差≈±0.013度，正态分布（k=3），极限误差/k=±0.013度/3≈0.0043度
失调电流误差≈±0.0025度，三角分布
CMRR误差≈(-0.0064度,+0.0246度)，修正后估计残余误差呈0轴对数正态分布
150摄氏度时随机误差σ=(噪声电压rms/(150摄氏度时Pt1000每1度变化的变动阻值*激励恒流电流))≈±0.0008度
150摄氏度时合成总误差≈±0.14度
150摄氏度时最差总误差=0.105+0.015+0.0323+0.0111+0.013+0.0025+0.0246+(无闪烁噪声电压p-p/2/(Pt1000每1度变化的变动阻值*激励恒流电流))≈+0.21度
最大引用误差（满量程误差）=0.14/(150-(-50))*100%=0.07%。精度等级0.1级
从哈理工一篇有关薄膜Pt100论文里的实测温度千小时漂移数据和其他数据做拟合估计
1/10B这等级的Pt100在150摄氏度时千小时最大漂移在1*10^-2这种量级上
根据长期漂移公式 千小时最大漂移量*√(ln(24*365.25*6/1000)) 算6年150度不间断工作寿命漂移
网友评论